■ 王樂 高海紅 王鵬 / 中國航發(fā)渦輪院

近年來，國際上對環(huán)保和污染排放的要求不斷提高，國際民航組織（ICAO）計劃，到2050年將CO2排放降低75%。采用傳統(tǒng)的航空發(fā)動機設計方法已無法滿足發(fā)動機高效、節(jié)能、環(huán)保和長壽命的需求，因此需要開始探索新的推進技術,混合電推進系統(tǒng)便是其中之一。由于采用了部分電推進，這種裝置在節(jié)能、環(huán)保方面的優(yōu)勢突出，是當前世界各國先進航空動力研究的重要方向，其中也包括俄羅斯。

混合電推進系統(tǒng)主要是指由傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，結合機載電池組提供電力，驅動電動機帶動分布在機翼或機體的多個涵道風扇/螺旋槳提供全部或大部分推力（燃氣渦輪發(fā)動機不提供或只提供部分推力）的系統(tǒng)。起飛時使用傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機；爬升到一定高度時，電動機開始工作，燃氣渦輪發(fā)動機可以給電動機的電池充電，或者完全關閉；降落時再次起動燃氣渦輪發(fā)動機，完成著陸。這種系統(tǒng)結合了燃氣渦輪發(fā)動機和電力推進兩種動力的優(yōu)點，電池不會一直持續(xù)工作，而且在工作中燃氣渦輪發(fā)動機還可以給電池充電，所以對電池的質量、尺寸和技術要求并沒有那么高。與此同時，這種系統(tǒng)也降低了對燃氣渦輪發(fā)動機的要求，可以采用結構簡單、經濟性和環(huán)保性更高的燃氣渦輪發(fā)動機，從而延長巡航飛行航程，提高動力系統(tǒng)壽命，提高飛機整體環(huán)保性和經濟性。理論上來講，采用渦扇發(fā)動機和渦槳發(fā)動機的軍民用運輸類飛機、無人機都可以采用混合電推進系統(tǒng)。混合電推進技術具備較大的發(fā)展?jié)摿?，被列為未來航空發(fā)動機發(fā)展的主要方向之一，各國都投入大量資源開展研究，俄羅斯也不例外。

圖1 TsAGI輕型短距起降支線飛機氣動結構方案

俄羅斯是最早從事電推進飛行器基礎研究的國家之一，但在20世紀90年代初，由于蘇聯(lián)解體、經濟衰退，整個航空工業(yè)發(fā)展停滯不前，在電推進領域的研究也被迫中斷。經歷十多年的沉寂，直到2004年左右才開始恢復。之后，俄羅斯從國家層面制定了多個航空工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，并從國家預算撥款來刺激和鼓勵飛機和發(fā)動機新技術研究，其中也包括混合電推進技術。

目前，俄羅斯有許多科研機構著手混合電推進的應用研究。中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）早在20世紀初期就開始了該項技術的探索研究，在混合電推進技術方面積累了一定的基礎研究經驗。俄羅斯未來研究基金會宣布正在進行功率為500kW混合電推進發(fā)動機的研制工作，原型機預計將于2020年開展試驗。中央空氣流體動力學研究院（TsAGI）也提出了輕型短距起降支線飛機分布式混合電推進發(fā)動機的方案（如圖1所示）。俄羅斯多家航空科研院所、企業(yè)和高校紛紛參與到了這些項目研制中，各單位在項目中分工明確，在各自的優(yōu)勢領域發(fā)揮了重要作用。

中央空氣流體動力學研究院的混合電推進研究

TsAGI是俄羅斯從事飛行器空氣動力學和結構強度方面基礎研究和應用研究以及相關流體力學研究的科學院所。該研究院提出了輕型短距起降支線飛機分布式混合電推進發(fā)動機的方案。該飛機的特點是：采用安裝在機翼前端的幾個螺旋槳對機翼吹風來提高低速狀態(tài)下飛機的升力。巡航時，其中一些螺旋槳收起，以提高飛行速度，減小氣動阻力、降低燃油流量。與同類產品相比，采用這種飛機結構方案可以使飛行速度從300～350km/h增 大 至650～700km/h， 航 程 從700～1000km延長至2000km，起降距離從600～700m縮短至300～400m。在設計方案中，采用1臺渦軸發(fā)動機和20～30臺電驅動風扇、1臺發(fā)電機和備用電源來提高氣動品質、增大巡航速度和解決低速起降的問題。此外，飛機還采用了小展弦比襟翼來提高升力，提高載油量來加大航程；采用飛發(fā)集成結構，降低迎面阻力。采用上述措施后，飛機完全可以達到規(guī)定速度。截至2019年9月，該項目還處于計算機模擬階段，正在進行初步評審，預計2020年將開展模型試驗研究。

中央航空發(fā)動機研究院的混合電推進研究

CIAM是俄羅斯航空發(fā)動機領域最權威的綜合性、系統(tǒng)性研究機構。在混合電推進動力裝置方面，CIAM更多的是承擔基礎性研究工作，包括高轉數(shù)發(fā)電機和功率質量比大于2～5kW/kg的電驅動裝置研究等。

高轉速發(fā)電機

目前，CIAM正在研制轉速可達50000r/min、直流電壓為27 ～540V、功率為300kW以上的高轉速發(fā)電機。為了提高發(fā)電機的功率，CIAM與超級奧克斯公司（SuperOx）合作研制高溫超導體，并基于超導體發(fā)電機開展混合電推進動力裝置研究。預計到2030年，該超導體發(fā)電機功率將不低于2MW，2035年發(fā)電機功率會達到5MW。

圖2 可調電驅動裝置試驗件在CIAM GU-212試車臺上的裝配情況

功率質量比大于2 ～5kW/kg的電驅動裝置

電驅動裝置基于電磁激勵的非接觸式閘流管式電機開展研制，電動機不采用轉子旋轉線圈和刷式集電器組件。這種設備不需要經常進行維護，具有很強的抗力矩過載能力（瞬時增加5倍多），效率超過90%，而且質量輕，尺寸小，壽命長和可靠性高。

CIAM正在聯(lián)合電驅動裝置設計局、鄂木斯克設計局、ERGUARD公司（專門生產和分析永久性稀土磁鐵和專用磁鐵系統(tǒng)）研制功率質量比大于2 ～5kW/kg的電驅動裝置試驗件（如圖2所示）。目前，試驗件已完成高速性、轉速變化范圍為400～12000r/min的高溫試驗驗證。該電驅動裝置為燃油系統(tǒng)的一部分，用于調節(jié)泵的功率，還可以極大地降低飛行中燃油的溫升程度，改善滑油系統(tǒng)的溫度情況，進而提高發(fā)動機使用的可靠性和安全性，改善其環(huán)保特性。

聯(lián)合團隊的混合電推進研究

2017年莫斯科航展上，茹科夫斯基國家研究院的國家研究中心展出了一臺功率為500kW的混合電推進動力裝置驗證機（如圖3所示）。項目的研究工作是在“建立未來全電飛機研究先進科技基礎”的構架下開展的，牽頭單位為CIAM，參與項目研制的單位有CIAM、西伯利亞航空研究所、中央空氣流體動力學研究院（TsAGI）、超級奧克斯公司、茹科夫斯基國家研究院國家研究中心、烏法國立航空技術大學和莫斯科航空大學等。其中，CIAM負責總體和制定部件要求，西伯利亞航空研究所負責飛行平臺建設和飛行試驗，超級奧克斯公司負責高溫超導電氣設備研制，TsAGI負責制定總體要求和全電飛機打樣圖設計。

圖3 2017年莫斯科航展上展出的配裝混合電推進動力裝置的飛機模型

該型動力裝置電動機的動力來源為蓄電池或/和發(fā)電機，發(fā)電機通過燃氣渦輪發(fā)動機軸傳動。電動機的最高轉速為2500r/min，額定電壓為800V，發(fā)動機質量為95kg，直徑為0.45m，長0.4m，液氮流量為6L/h。該發(fā)動機在研制時采用了許多新技術和新方案。例如，采用了液氮和俄羅斯自研的高溫超導體，當溫度為-196℃時，導體的電阻效應為零，從而輸出很高的效率（通常情況下，提高電動機功率的同時，其質量也會相應增加，但采用這種高溫超導體就可以很好地解決這個問題）；發(fā)電機由CIAM和烏法國立航空技術大學聯(lián)合研制，這是俄羅斯首個功率超過150kW的航空發(fā)電機，可以使效率達到96%。

項目分兩步實施：先研制出混合電推進動力裝置，然后基于驗證的技術著手開展載客量9～19人的批生產電驅動飛機研制。預計將在2020年年底或2021年年初實現(xiàn)試飛。

2019年9月，該項目的首個結構方案驗證機在CIAM試車臺上開展地面試驗，2020年將在西伯利亞科學研究院的雅克-40飛行平臺上開展飛行試驗。試驗時將裝備4臺這種電動機，試驗過程中可以根據(jù)情況對飛行要求進行調節(jié)，檢查其效率和所有系統(tǒng)的工作情況。

莫斯科航空大學的混合電推進研究

2019年莫斯科航空大學的專家們將俄羅斯國內自主研發(fā)的超導材料首次用于大功率電動機（如圖4所示）。該電動機可以極大地降低電阻，電功率比磁阻電動機更高，完全可以為發(fā)動機提供足夠的動力，保證飛機的電力需求。因為超導體只有在極低溫條件下才能保持電阻很低，要保證電動機正常工作，需要在動力裝置上安裝一個低溫保護系統(tǒng)。目前，該方案擬采用機載低溫保護系統(tǒng)，裝載溫度為-196℃的液氮冷卻。采用這種冷卻方式還可以避免導線短路引起失火，從而提高了飛機機載的安全性。

圖4 莫斯科航空大學研制的混合電推進發(fā)動機

結束語

俄羅斯將航空電推進技術作為了未來航空領域革新的方向，其技術研究水平也走在了世界前列，部分設計方案已經進入了地面試驗階段。尤其是CIAM和TsAGI，不僅具有深厚的混合電推進發(fā)動機科學技術儲備，設計方案也正在走向驗證和應用。此外，俄羅斯其他科研院所、高校和企業(yè)也均參與到了混合電推進發(fā)動機技術研究中，并取得了不菲的成績。